緩進(jìn)給磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱和由此引起的工件熱損傷是制約磨削效率的主要因素。因此，作為一項(xiàng)基本對(duì)策，盡可能強(qiáng)化磨削弧區(qū)的換熱效果，zui大限度地疏散積聚在弧區(qū)的磨削熱，是有效抑制磨削燒傷和進(jìn)一步提高磨削效率的關(guān)鍵。本文借鑒熱工領(lǐng)域的強(qiáng)化換熱概念，提出利用高壓射流沖擊強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱的創(chuàng)新構(gòu)想，并通過(guò)緩進(jìn)給斷續(xù)磨削試驗(yàn)，研究了采用徑向射流沖擊磨削弧區(qū)表面的冷卻效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，射流沖擊強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱技術(shù)確有良好的應(yīng)用前景。1 射流沖擊強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱的基本原理關(guān)于緩磨燒傷的機(jī)理研究表明，發(fā)生在磨削弧區(qū)的換熱機(jī)理由于涉及到沸騰與汽液兩相流動(dòng)過(guò)程而顯得極為復(fù)雜。在磨削熱流密度接近但不超過(guò)臨界熱流密度，且磨削液處于泡核沸騰時(shí)，磨削液可以直接從工件表面吸收大量汽化潛熱，不僅換熱效率zui高，而且工件表面溫度亦可穩(wěn)定維持在磨削液發(fā)生成膜沸騰的臨界溫度以下。但磨削熱流密度是隨著砂輪的鈍化而增長(zhǎng)的，這種增長(zhǎng)在磨削高溫合金、鈦合金等難加工材料時(shí)尤為顯著，因而上述理想換熱狀態(tài)是無(wú)法穩(wěn)定維持的，一旦磨削熱流密度增長(zhǎng)到超過(guò)臨界熱流密度，弧區(qū)磨削液發(fā)生成膜沸騰后，磨削液就會(huì)因汽膜層阻擋而無(wú)法再與工件表面接觸，于是原本可由磨削液汽化帶走的磨削熱便會(huì)被迫改道進(jìn)入工件，從而導(dǎo)致工件表層急劇溫升并很快發(fā)生燒傷。 磨削弧區(qū)的磨削熱主要是通過(guò)磨削液疏導(dǎo)逸散的,現(xiàn)有的磨削液加注方式，如普通切向供液、高壓噴注、用氣流擋板輔助加注以及利用砂輪自身多孔滲漏的砂輪內(nèi)冷卻供液等，其目的都是將磨削液引入弧區(qū)，使其能參與弧區(qū)換熱過(guò)程。至于磨削液引入弧區(qū)后如何才能確保滿意的換熱效果，則是一個(gè)尚未有人研究的課題。斷續(xù)磨削能使更多磨削液進(jìn)入弧區(qū)起到間斷冷卻作用。文獻(xiàn)研制推出一種帶徑向通液孔的cbn開(kāi)槽砂輪，在解決難加工材料緩磨燒傷難題方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但從總體來(lái)看，其換熱效果與現(xiàn)有的弧區(qū)磨削液供液方式相比并無(wú)*。 筆者在對(duì)深切緩磨磨削熱機(jī)理深入研究的基礎(chǔ)上，參照熱工領(lǐng)域有關(guān)強(qiáng)化換熱的概念，提出一項(xiàng)可望從根本上改善弧區(qū)換熱過(guò)程的構(gòu)想。該構(gòu)想的核心是結(jié)合應(yīng)用日趨廣泛的開(kāi)槽砂輪斷續(xù)磨削工藝，構(gòu)造一種可使高壓磨削液射流沿砂輪徑向直接沖擊弧區(qū)工件表面的條件，由于高壓射流可以輕易地沖破已形成汽膜的阻擋，確保磨削液與工件表面的持續(xù)接觸，因而有條件突破成膜沸騰的障礙，即使在遠(yuǎn)高于臨界值的熱流密度下，仍可zui大限度地穩(wěn)定發(fā)揮核沸騰汽化換熱的優(yōu)勢(shì)，將磨削弧區(qū)的換熱效率提高到一個(gè)全新的水平。2 試驗(yàn)裝置磨削系統(tǒng)的磨削液供液裝置如圖1所示,它主要由高壓柱塞泵、水箱、控制閥等組成，磨削液通過(guò)高壓泵以一定的壓力從砂輪前端特制的旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入封閉砂輪腔，沿砂輪徑向通液孔射出，射流出口速度為15m/s。
1.水箱 2.過(guò)濾器 3.高壓柱塞泵 4.單向閥 5.壓力表6.卸荷閥 7.調(diào)壓閥 8.旋轉(zhuǎn)密封接頭 9.砂輪腔
圖1 磨削弧區(qū)徑向射流沖擊換熱的新型供液裝置
圖2 帶徑向射流的cbn開(kāi)槽砂輪的供液狀況
為了將靜止高壓水引入旋轉(zhuǎn)的帶徑向通液孔的砂輪腔，研制了帶端面密封的旋轉(zhuǎn)接頭。端面密封為一種旋轉(zhuǎn)軸用動(dòng)密封，由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成密封端面，動(dòng)環(huán)與砂輪主軸一起旋轉(zhuǎn)，并與靜環(huán)保持緊密貼合接觸，達(dá)到旋轉(zhuǎn)密封的目的。旋轉(zhuǎn)密封的設(shè)計(jì)壓力為7mpa，轉(zhuǎn)速為1400rpm，密封泄漏量在5ml/h以下。砂輪結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)研制的砂輪結(jié)構(gòu)相似，只是將內(nèi)部空腔密封。進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭的磨削液經(jīng)砂輪法蘭座的開(kāi)槽進(jìn)入砂輪腔，帶徑向射流的cbn開(kāi)槽砂輪的磨削液供液狀況如圖2所示。3 試驗(yàn)條件及測(cè)試方法在航空航天領(lǐng)域，大量被加工零件材料均屬難加工材料，雖然針對(duì)此類材料的緩進(jìn)給磨削工藝已廣泛應(yīng)用，但對(duì)于緩磨時(shí)因砂輪鈍化而引起的發(fā)熱量劇增仍然很難控制，燒傷問(wèn)題仍然突出。因此本試驗(yàn)選用導(dǎo)熱系數(shù)低、易燒傷的航空難加工材料鈦合金tc4進(jìn)行磨削性能試驗(yàn)，研究緩進(jìn)給斷續(xù)磨削時(shí)徑向射流沖擊強(qiáng)化弧區(qū)換熱的效果。具體試驗(yàn)條件見(jiàn)下表。 試驗(yàn)條件表 磨床 mmd7125精密平面緩進(jìn)給磨床
砂輪 電鍍開(kāi)槽cbn砂輪，粒度80，濃度200，開(kāi)槽率30%
磨削液 5%乳化液，冷卻液流量90l/min，zui高供液壓力7mpa
磨削方式 切入式順磨
修銳方式 雙電極電解修銳
為能實(shí)時(shí)檢測(cè)弧區(qū)溫度變化，試驗(yàn)中采用分塊試件夾絲半人工熱電偶測(cè)量弧區(qū)工件表面溫度分布，信號(hào)直接送入3562信號(hào)分析儀采集記錄，并同時(shí)由x-y記錄儀記錄磨床主軸功率，采用八角環(huán)測(cè)力儀測(cè)量磨削力。圖3為試驗(yàn)中記錄到的不同冷卻條件下熱電偶輸出電勢(shì)信號(hào)的原始波形圖。圖中，夾絲熱電偶未進(jìn)入弧區(qū)時(shí)，信號(hào)零線光滑平直，各種干擾信號(hào)已被排除；夾絲熱電偶進(jìn)入弧區(qū)后，曲線上出現(xiàn)的密集排布尖脈沖是磨粒磨削點(diǎn)溫度的反映，尖脈沖的起止位置表明了磨削時(shí)的弧區(qū)范圍，由此可確定工件的進(jìn)給速度vw。曲線尖脈沖谷底的下包絡(luò)線實(shí)際就是磨削弧區(qū)前后工件表面的平均熱電勢(shì)，根據(jù)tc4-康銅與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)定曲線即可換算成對(duì)應(yīng)的工件表面平均溫度。
vs=20m/s,vw=45mm/min,ap=0.8mm
（a）普通切向供液
vs=20m/s,vw=45mm/min,ap=0.8mm
（b）砂輪內(nèi)冷卻
vs=20m/s,vw=70mm/min,ap=1.2mm
（c）弧區(qū)徑向射流沖擊供液
圖3 實(shí)測(cè)弧區(qū)磨削溫度分布曲線
4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 不同冷卻方式下弧區(qū)降溫效果對(duì)比 不同冷卻方式下弧區(qū)換熱效果對(duì)比 不同冷卻方式下極限切削深度的對(duì)比 由圖3可知，在弧區(qū)徑向射流沖擊弧區(qū)工件表面換熱條件下，弧區(qū)溫度曲線谷底下包絡(luò)線確定的溫度值明顯降低。圖4為在相同的砂輪速度vs、工作臺(tái)進(jìn)給速度vw和不同的切深ap下分別采用普通切向供液、砂輪內(nèi)冷卻和弧區(qū)徑向射流沖擊對(duì)磨削溫度的影響。由圖可知，射流沖擊強(qiáng)化弧區(qū)換熱具有降溫*的特點(diǎn)。
圖4 三種冷卻方式磨削溫度的對(duì)比
圖5 三種冷卻方式換熱效果的對(duì)比
在相同的砂輪速度、工作臺(tái)進(jìn)給速度和不同的切深下測(cè)量磨削功率，由于磨削熱流密度與磨削功率n成正比，故有 f= rwn
jlb
式中 j ——熱功當(dāng)量 rw——磨削熱流入比率 l——接觸弧長(zhǎng) b——工件寬度 在不同切深所對(duì)應(yīng)的磨削溫度下，采用切向供液、砂輪內(nèi)冷卻和徑向射流沖擊三種冷卻方式對(duì)弧區(qū)換熱效果的影響如圖5所示。由圖可見(jiàn)，采用帶徑向射流開(kāi)槽砂輪強(qiáng)化換熱時(shí)，曲線斜率增大，換熱系數(shù)提高。由于采用帶徑向射流開(kāi)槽砂輪磨削時(shí)消耗的功率比普通砂輪磨削時(shí)增大，因此，雖然磨削熱流密度相應(yīng)增大，但對(duì)應(yīng)的磨削溫度卻很低。 圖6為采用不同供液冷卻方式時(shí)磨削極限切削深度的對(duì)比情況。由圖可見(jiàn)，當(dāng)采用普通切向供液和砂輪內(nèi)冷卻方式時(shí)，極限切削深度受磨削燒傷限制；而采用弧區(qū)徑向射流沖擊強(qiáng)化換熱時(shí)，極限切削深度受主軸功率限制。
圖6 三種冷卻方式磨削極限切深的對(duì)比
5 結(jié)論 試驗(yàn)表明，使用帶徑向射流的cbn開(kāi)槽砂輪實(shí)現(xiàn)射流對(duì)弧區(qū)工件表面的直接沖擊，是提高弧區(qū)換熱效率的有效方法。該方法可突破成膜沸騰的障礙，即使在高熱流密度下，工件表面溫度亦可維持在磨削液發(fā)生成膜沸騰的臨界溫度（水基磨削液約為120～130℃）以下，這也表明深切緩磨時(shí)不發(fā)生燒傷的材料去除率可同步提高。因此，研制開(kāi)發(fā)可在生產(chǎn)中應(yīng)用的磨削弧區(qū)徑向高壓射流沖擊換熱的新型磨削液供液裝置，對(duì)于解決難加工材料深切磨削燒傷問(wèn)題和提高磨削效率將具有十分重要的意義。